高压涡轮叶片定向凝固技术

RENE150 定向凝固高温合金涡轮叶片 摘要： 政府和工业界 4 年合作项目，属于 MATE 先进涡轮发动机材料 项目，经改善铸造和加工方法的镍基高温合金 RENE150 定向凝固转 子零件已经实施用于发动机测试。该部件制造用于 CF6-50 高压一级 涡轮转子叶片，本项目的目标是：（1）表明在推力可调、先进的商 用 CF6-50 发动机（提升燃油效率 1.45%sfc）上提高运行温度的能力； （2）改善叶片铸造工艺，该工艺允许叶片在保证质量的前提下不超 过原 RENE80 叶片制造成本的 1.5 倍。 本项目分成八个任务： TASK1：包括涡轮叶片的设计和分析; TASK2：包括合金制备和评估、机匣/核心机选择、初步铸造参 数设计; TASK3：包括 RENE150 涡轮叶片外部涂层系统的适配和选择; TASK4：确定 RENE150 涡轮叶片铸造工艺，包括试制铸造过 程和项目铸造成本分析。 TASK5：包括涡轮叶片成品制造，该叶片用于部件试验； TASK6：包括用于发动机试车的成品叶片制造； TASK7：包括地面发动机 RENE150 涡轮叶片成品测试； TASK8：地面发动机测试结果分析。 第二册文件是 TASK5 核心机试车结果和最后两个任务的结论。 RENE150 高压涡轮叶片已成功完成投产型 DS 铸造，有涂层和 没有涂层两种叶片机械和物理性能符合设计要求，叶片已完成加速 持久试车，结论在第二册中分别给出。 1 概述 本项目的任务是扩大先进的 DS 涡轮叶片合金 Rene150 在 CF6- 50 发动机 HPT 一级涡轮叶片的应用范围。本次扩展应用将许可 RENE150 提升运行温度（超过 RENE80）以期实现商用发动机 CF6- 50 提升 1.45%燃油效率。本项目将通过改进铸造工艺，使得该叶片 制造成本能够在不超过 Rene80 叶片 1.5 倍的前提下，完成批量生产。 项目开始阶段使用的是 1977 年 9 月的 RENE150 性能数据（见 表 1） ，初步设计分析确定 RENE150 材料应用于 CF6-50 叶片上时抗 温度、载荷和应力的性能。该分析表明 RENE150 可应用于 CF6-50 一级高压涡轮叶片设计。通过研究空气冷却模式，确定其对叶片温 度、应力和寿命的影响，并改进叶片冷却结构（对完成发动机试车 验证是必须的） 。相对 RENE80 叶片，RENE150 涡轮叶片冷却性能 改进后实现提升平均使用温度 56（100）。去除一排进气边冷 却孔，如图 1 所示，在叶片底部使用一个节流板控制进入叶片空气 量。 与初始设计活动并行开展 RENE150 合金的采购和验证工作以满 足整个项目需求。共采购 1.6 吨定型 RENE150 合金。该铸件已完成 基于 GE 标准的测试验证，包括化学分析，可铸性、拉伸和应力断 裂测试。 四个陶瓷芯材料和四个面层/陶瓷涂层组合被评估后用于叶片铸 造过程。基于 Rene150 合金溶液可铸性和稳定性选用 SR-731 芯体。 基于表面粗糙度和温度特性，选用氧化铝涂层/莫来石陶瓷涂层组合 系统，用于 GE 的快速自动化多功能 DS 铸造过程。 叶片制造需要的陶瓷模具已完成制造，初步铸造试验已经完成。 但模具需要在叶片伸根区域进行改造，如图 2 所示，通过增加附加 的金属厚度用于阻止铸造过程中的裂纹产生。该附加材料最终将通 过电火花工艺移除以获取所需的尺寸。使用改造后的铸造工具做了 20 次最终设计铸造试验，已完成晶相结构、荧光、目视检查和 X 光 检查。没有遇到大的问题，因此，铸造过程的预制已完成。基于 80%通 过了初步铸造检查，本工艺被定为部件和发动机试验用叶片铸造工 艺。 本项目已完成成本分析，基于最终定型工艺和可接受标准，成 本测算的是定型状态的 RENE150 涡轮叶片。在合理可获得的叶片标 本下，估计 RENE150 涡轮叶片成本约为 Rene80 等轴晶叶片的 1.5 倍。 用于部件试验和发动机试验的 RENE150 涡轮叶片使用 RAM- DS 工艺。铸造工序已完成，打冷却孔、焊接叶尖盖板，最终机加工 也已完成，最终检查符合图纸要求。伸根区域的附加材料已通过电 火花加工去除。铸造合格率是可接受的，打冷却孔时没有出现问题。 大量的损耗是由于不正确的冷却孔定位，经验表明是使用了较软的 工具导致。这种损耗在整个制造过程中是不可接受的。 电镀铝 NiCrAlHf 工艺最初选用于外部涂层，该涂层包括三种电 镀层包括 Cr 和 Ni，以及包覆渗工艺增加 Hf 和 Al。通过评估其对叶 片保护能力，表明该涂层适用于 Rene150 叶片；然而，基于 GE 正 在开展的平行项目结果，一种替换涂层被用于测试叶片制造过程。 叶片制造的同时，进行机械性能和部件测试，以最大保障该叶 片在发动机试验中的安全性和成功率。这些试验将是寿命预测和可 靠性预测的基础。进行 HCF 试验为部件试验和数据对比提供一个极 限设置的基础。生成的古德曼图表被用于建立与发动机叶片设计和 性能相关的 HCF 能力要求。叶片部件试验包括： 应变分布、频率和振型试验用于确定涡轮叶片对各种激振模型 的响应。 部件 HCF 试验建立叶片疲劳强度与试棒数据的关系，以及确定 叶片应力/应变性能参数。 核心机试验预测叶片性能。 冲击试验建立叶片抗外来物损伤能力。 模拟发动机热冲击试验提供基本热疲劳性能信息。 这些试验确定叶片能够满足涡扇发动机耐久性试验要求。 有涂层成品叶片安装在 CF6-50 转子上，如图 3 所示。发动机组 装完成，叶片完成工厂试车的耐久性试验；试验结果在第二册。 项目 2 的结果确定增加 Rene150 服役温度，并表明能够通过铸 造过程达到设计目的。本项目大幅提升镍基 DS 高温合金工艺水平。 获取了该合金的性能参数，尤其具有价值。 2 介绍 2.1 背景 NASA 先进航空发动机材料项目主要目的是推进新材料技术在 先进航空发动机中的应用以取得经济和性能提升。项目包括加快对 所选材料技术的转换，通过从可行性阶段到发动机验证阶段的推广， 以及对材料技术投资/收益分析，为后续材料技术的选择提供指导。 本报告中，GE MATE 的项目 2，阐述了将定向结晶涡轮叶片合 金（rene150）推广应用到 CF6-50 发动机的高压一级涡轮叶片上。 下面段落描述了 MATE 项目的目标，以及 RENE150 的某些材料特 性。 在喷气发动机的早期阶段，便期望提高涡轮叶片的材料性能。 因此已开发了一系列新的高温合金。以每年提高 8的抗高温能力 增长。从 1950 年早期开始，通过改进镍基高温合金的 强度来提高 材料的抗高温能力。认为通过改进等轴晶、真空铸造方式的高温合 金，是不可能超过今天使用的最好合金（RENE125）的。 相比于传统的、随机定向微观结构的高温合金来说，定向结晶 高温合金，至少有三大优势： 基本上消除了垂直于结晶方向上晶界的强度限制；在涡轮叶 片上，这也是主要轴向应力；消除这种强度后增强了断裂强 度； 从本质上降低了在结晶方向上的弹性模量，极大的降低了由 热梯度所产生的断裂应力，因此提高了抗热疲劳能力。 在结晶方向上，大幅提高延展性。允许添加更多合金元素来 提高强度，并且保持原有延展性。 因此 GE 已建立了合金目标（rene150）。该合金的目标是超过 rene125 的性能。Rene150 采用定向结晶并增强 相强度，由于采用 了定向结晶技术，rene150 会比 125 要重一些。150 的材料成分在附 录 A 中给出。 当合金按照传统铸件进行初始设计，并采用定向结晶时，仅能 小幅度提高抗高温性能。Rene150 充分利用 DS 工艺优势，与当前 DS 合金相比，获得了 28 到 33的断裂强度裕度。相比于 GE 的 rene80 高出 64的裕度，比 rene125 高出 33裕度。 Rene150 的初期断裂应力强度数据表明，比 CC rene80 材料的抗 高温能力提高 64-67。150 与 80 和 125 的断裂强度对比图，见图 4.附 录 A 给出了在本项目实施前的 rene150 其它数据：成分、密度、拉 伸特性、弹性模量、抗氧化特性、抗热腐蚀特性、热膨胀率、LCF 和热传导率。 基于同 rene80 在 CF6-50 发动机上的使用经验，对比 rene80 和 rene150，评估 150 的优势： 参数百分比 比燃油消耗率-1.45% 燃油消耗量-3.23% 直接运行成本-1.85% 投资回报率+0.64% 本项目采用了独特的 DS 过程。其术语为快速自动多核 DS（RAM-DS）。该过程与传统铸造工艺有较大不同，在具有独立 加热，冷却，和分离系统的单模具中铸造叶片，而不是传统的多模 具铸造方法。 尽管 GE 在 150 材料的开发过程中取得了较大的技术进步，但 仍需要加大材料推广应用力度，才能将其材料运用于商业领域。 2.2 项目概况 GE 的 MATE 项目 2，其总目标是推广 rene150 的运用以及 rene150 叶片的发动机试车，150 是一种先进的适用于发动机涡轮叶 片的高温合金。选用 CF6-50 发动机的一级涡轮叶片来验证材料的性 能。项目的目的有：（1）在 CF6-50 发动机，使用 rene150 制造一 级 HPT 叶片，证明其能够提高运行温度，并降低 1.45%的燃油消耗 量。（2）优化叶片铸造工艺，使得铸造 rene150 叶片的费用不超过 铸造 rene80 叶片的 1.5 倍。 项目 2 的 TASK： TASK1：涡轮叶片设计和分析 TASK2：初步 rene150 材料系统优化 TASK3：涂层选取和评估 TASK4：rene150 材料系统最终优化 TASK5：部件试验-叶片生产和评估 TASK6：发动机试验-叶片生产 TASK7：发动机试验 TASK8：试验结果分析 下图给出整个项目的结构流程，图 5。 TASK I 涡轮叶片设计和分析 TASK Rene150材料系统初 步优化 初步设计分析 合金材料改进 （scale-up）和评估 浇铸、陶瓷芯选择 CF-50rene150叶片设 计 叶片可铸性评估 预先浇铸试验 Task 最终的Rene150工艺 优化 工具获取 最终设计 浇铸试验 试生产 生产工艺 TASK 涡轮叶片部件试验 制造和评估 涡轮叶片生产 部件试验 TASK 发动机试验 叶片制造检查 TASK 发动机试验 TASK 涂层的选择和评估 CF-50所选涂层 涂层评估 涂层加工工艺 工具设计（仿真） 工程图纸准备 TASK 试验总结分析 图 5 rene150 定向结晶合金涡轮叶片开发路线图 3.0 TASKI-涡轮叶片设计和分析 本节的目标是进行涡轮叶片的设计分析，为 rene150 涡轮叶片能 够成功通过工厂耐久性试车提供指南。 3.1 初始设计分析 使用项目启动阶段可用的 rene150 材料性能数据（附录 A）进 行初步设计分析，确定 CF6-50 发动机叶片抗温度、载荷和应力水平。 在 CF6-50M 发动机工作温度和转速条件下，进行 CF6-50M 发 动机叶片构型（当前设计以及将用于项目 2 的设计构型）的中径温 度分析。最小断裂寿命，基于“叶片蠕变 III”计算机仿真分析，相比 于使用了相同边界条件假设、带冷却孔的 CC rene80 涡轮叶片的断 裂寿命，rene150 叶片的断裂寿命是 rene80 叶片断裂寿命的 4.2 倍。 仿真分析包括薄壁效果、10晶粒取向因子、0.7 倍的安全系数。 Rene150 叶片的低周疲劳寿命（LCF）表明，在相似的试验条件 下且使用平均材料特性数据的前提下，rene150 叶片的 LCF 寿命是 CC rene80 叶片的 16 倍。此处寿命是指叶身前缘出现裂纹的循环次 数。初始分析表明，rene150 可用于制造 CF6-50 发动机的一级涡轮 叶片。 3.2 rene150 CF6-50 叶片设计 本子节的目标是进行叶片气冷结构更改研究，以确定其对叶片 温度、应力和寿命的影响，进而确定能够通过发动机试验所必须的 涡轮冷却结构的构型。由于 rene150 比 rene80 具有更高的耐温特性， 因此可选择将 150 和 80 叶片分别装在同一台发动机上进行试车，80 叶片在常温条件下运行，150 叶片可在相对更高的温度下运行，进 而证明 rene150 的优势。由于验证了 150 叶片比现有材料制造的叶 片（如 80 叶片）具有更高的耐温特性，因此可转变为 150 叶片能够 提高发动机性能，延长发动机寿命或两者同时增加。特别是，150 叶片具有如下优势： 发动机性能：由于具备更高的耐温能力，因此在保证相同的使 用寿命的前提下，可以减少冷却空气，相应的就减少燃油消耗量。 例如：对 CF-50 发动机在固定载荷的前提下，使用 150 叶片后，其 燃油消耗量的改善情况，如图 6。对于更先进的 CF6-50 可变载荷的 商用发动机，使用项目 2 的结果后，可将燃油消耗量降低 1.45%。 上述评估结论，是基于 NASA 和 GE 的涡轮发动机低能源消耗设计 项目的研究结论。在正常设计应力水平和冷却空气流量率的条件下， 在允许的更高涡轮进口温度范围内，提高温度增加推力。 图 6 CF6-50 发动机使用 rene150 一级涡轮叶片后，对燃油消 耗量的潜在改进 发动机寿命：改进的材料特性，在正常的应力条件、涡轮进口温 度和冷却气流量条件下，允许提高涡轮叶片的设计寿命。 基于上述途径，在工厂试车的条件下，与 80 材料的涡轮叶片相 比，150 材料高压涡轮叶片的冷却结构能够使叶片平均温度升高 56（100F） 。实现方法是：通过去掉叶片进气边的一排冷却孔，并 且在叶片底部增加节流板，从而控制进入涡轮叶片的冷却空气量， 如图 1 所示。热传递、应力和寿命分析表明，80 叶片的平均温度为 953，150 叶片的平均温度为 1005。 尽管 150 叶片的工作温度比 80 叶片高出 56，但是其应力断 裂寿命几乎是其 2 倍。表中给出的 LCF 预测寿命表明，150 叶片 是 80 叶片的 10 倍以上。 Table II. 计算得出的 CF6-50 （M34）HPT 的低周疲劳寿命. Location Temperature,o C(o F) Life,Hours ccRene80Rene150ccRene80Rene150 Leading Edge Trailing Edge Pressure Face Pressure Gill Hole Suction Gill Hole Trailing- Edge Hole Cross over Hole 10380901) 1064( 1948) 1061( 1942) 868( 1595) 833(1532) 952( 1746) 774(1 425) 1098( 2008) 1092(1 997) 1121( 2050) 893( 1639) 881(1 617) 957( 1755) 797( 1466) 4060 7520 4440 610 390 2810 370 15,OOO 100,000 100,000 7,500 9,000 60,000 3,500 另外，为展示 150 叶片的抗高温能力，叶片设计所选的冷却结 构其实是减少了冷却气体流量的。表 III 给出了 150 叶片冷却气体具 体的减少量。在项目 2 初期，M-90 rene80 叶片已经通过使用，因此 以 80 涡轮叶片的冷却气量为基准。在本项目开展的过程中，80 叶 片已经进行更新优化。相比于 M-90 的 rene80 叶片而言，改进后的 80 叶片具有更好的冷却效率，冷却气流量减少 0.47%W2C。M-34 改 进设计方案可用 rene150 铸件进行生产，相比于 rene80 材料的 M- 34，将获得 56的温增，同时冷却气量比 M-34 减少 0.23% W2C。 表 III rene150HPT 减少的冷却气流量 150HPT 叶片能够证明其提高抗高温能力，增加应力断裂寿命、 LCF 寿命，减少冷却气流量、降低燃油消耗量。 3.3 采用辅助工具设计和发布叶片设计图纸 为获得 TASKIV、V、 VI 所述叶片生产中必要的铸件，应准备 必要的工程绘图设计模具。需使用这些设计模具进行初始铸件试验， 结果表明需对铸造模具进行改进，从而改进叶片的伸根区域。伸根 区域是在叶片缘板下方，需增加厚度，从而减少浇铸过程中产生裂 纹。在后续电火花加工过程中必须去除掉上述增加的材料，才能够 获取所需的构型。 对现有 80 叶片的图纸进行修改，改变其冷却结构，然后用 150 材料进行加工。另外，需对叶片的精加工过程进行评审和改进，以 便适用于 150 叶片。最终发布工程图纸，以便指导 150 叶片的制造 加工。 4.0 TASK-对 rene150 材料系统的初步改进 4.1 合金成分优化和评估 本子节的目标是生产足够的 rene150 合格材料，以满足整个项 目的需要。 附录 B 给出了获取 rene150 棒材的工艺规定。选择 Allegheny Ludlum, New Hartford, New York 的特种材料部作为毛坯加工厂。 将 1.6Mg（3500lbm）（1600kg）的纯镍在真空感应设备中熔化， 然后倒入熔化 rene150 的坩埚中，对坩埚进行清洗。然后将 rene150 熔化并制成样本。30 分钟内进行光谱分析，判断熔液的化学成分是 否在规定范围内。然而，钛、钴、铪元素的含量靠近技术要求的下 限，在浇铸前，在 rene150 熔液中增加上述元素的含量，使其含量 达到技术要求的中间值。然后浇铸 rene150 熔液，重新铸造成直径 为 70mm 的棒材。熔液（NO.7-11158）浇铸成图 7 所示的棒材后交 付给 GE。共获得棒材的净重为 1.387Mg（3058lnm）（1387kg）。 按照规定，应从第一个铸锭、中间过程的铸锭、最后一个铸锭 中取样进行化学成分分析，以判定铸件的可接受性。表给出了特 种材料的材料分析评审标准。通过对比材料化学成分规范和 GE 对 中间过程铸锭的材料成分分析，认为此材料是可接受的。 熔液可铸性评估。图 8 给出的试验装置构型，为一根由待测合 金制作的空心管。该空心管采用定向结晶制造，空心管沿着氧化铝 芯收缩，其合成应力（约 2%）导致裂纹敏感合金产生晶界裂纹。此 试验建立的可铸性等级分为 A（无裂纹）到 F（晶界裂纹总数）级。 Rene 的可铸性为 A 级，如图 8 所示。 选择回熔铸锭 30，中间过程的铸锭作为评估件。直径为 413mm 的铸锭 30，在 GE 的 DS 铸造设备上重新进行 380mm/hr 的定向结晶， 所用参数近似于 GE RAM-DS 设备。棒材进行纵向和横向切断，按 如下要求进行热处理： 上述热处理方法是 rene150 材料的标准热处理制度，能够很好的平 衡纵向和横向特性。在 1205时，仅有少量的 相回熔。研究表明， 熔液温度超过 1205后，将会提高纵向强度，同时也就降低横向强 度和延展性。 试样经过热处理后进行机加工和试验。纵向试样的尺寸： 4mm（直径）17.8mm（长度） ，横向试样的尺寸：3.2mm（直径） 12.7mm（长度） 。 表给出拉伸强度和应力断裂数据。Rene150 结果在附录 A 中 已给出。在 980的一个试样时，其拉伸延展性比预期要求低，其 它试样的延展性均高于平均水平。在横向试样中，这种分布是不正 常的。其原因是各晶粒定向的可变性。铸件的应力断裂数据略低于 平均水平。然而，均在可接受范围内。对于大多数 CC 合金而言， 用于铸件-可接受试验的-2 极限应是平均寿命的 60%。对于铸件 7- 11158 的测试结构表明，rene150 为平均寿命的 75%80%。此结果 表明该铸件满足本项目的要求。 本节提供的试样试验数据，可为 TASK 的叶片部件试验设计 极限要求，以及提供叶片的对比数据，本子节还进行了 HCF 试验。 选取 18 件直径为 41.3mm 的棒材进行 HCF 试验。选取 2 号、32 号、 62 号铸锭进行定向结晶，制备 6 根试验棒材，以代表第一批铸件、 中间批铸件和最后一批铸件材料。1-63 号中所有奇数号铸锭均送往 ALBUQUERQUE，大约有 680kg。 对这批 DS 棒材按照所期望的方向加工成试样，在试验前进行 “标准的”热处理。HCF 试验的目标是确定产生 107循环寿命的最小 应力与温度、激励模式和 A 比率（交变应力/平均应力）的函数关系。 为了建立涡轮叶片设计及性能与 HCF 能力的关系，可使用以上数据 构建 Goodman 图。表中给出 HCF 数据。在和 1.0 的 A 比率下建 立了 107循环点后，还需在 0.5 A 比率条件下进行多项试验，以便改 进 Goodman 图表的精确性。另外，还对 rene150 进行了 650和 A 比率为 1.0 以及其他更多的疲劳特性试验。HCF 数据以应力和循环 寿命曲线图的形式在图 913 中给出。该曲线建立了各种试验条件下 的 107循环疲劳寿命。表给出具体数值。图 1419 为 Goodman 图。 为了进行对比，前期获得的 rene150 和 rene80 的试验数据也在这些 图标中给出。从这些数据中可得出以下结论： 当 A 比率趋近于时，从轴向看：Rene 150 的强度约等于 Rene 80 的强度。从横向看：Rene 150 的强度略小于 Rene 80 的强度。 当 A 比率较低时，从纵向看：Rene 150 的强度大于 Rene 80 的强 度。从横向看：Rene 150 的强度至少等同于 Rene 80 的强度。 与之前获取的疲劳数据相比，可以看出 Rene 150 对最初的 DS 棒 材尺寸和热加工工艺的敏感度。在本研究中所用到的棒材尺寸和 热加工工艺均采用了与 CF6-50 涡轮叶片相似的结构及方法；因 此，这些数据可被认为是实际叶片的特性。 对 HCF 试样的微观组织分析表明很多失效源于内部的孔隙。剩 余三个样本的过早失效源于未发现表面下的孔隙。这些测试的代表 点包含在图 9 到图 17 中；在构造实际的曲线时，这些点则不被采用。 4.2 模子/芯体的选择 在本项目中所提到的陶瓷芯体，是基于在铸造 Rene 150 合金叶 片时的可加工性和稳定性来选取的。所选取模具材料的为 RAM- DS。该模具具备足够的耐温能力。通过在铸造 Rene 150 合金叶片时 过程中对样品特性的测试，确定模子和陶瓷芯体的有效性。随后是 对试样进行金相特性分析以确定陶瓷/金属是否发生反应。 4.2.1 陶瓷芯体的选择 在实际的 DS 铸造条件下，将对与铸造 Rene 150 合金叶片相关 的 4 种陶瓷芯体进行评估。这四种陶瓷芯体材料分别是： 图 9 Rene 150 的高周疲劳特性轴向+弯曲度 A= 图 10 Rene 150 的高周疲劳特性轴向+弯曲度 A=1.0 图 11 Rene 150 的高周疲劳特性轴向+轴向 A= 图 12 Rene 150 的高周疲劳特性轴向+轴向 A=0.95 图 12 Rene 150 的高周疲劳特性 A=0.5 表格 VII 107循环的耐久性 *表示估算值 图 14 古德曼曲线，760，轴向+弯曲度，107个循环 图 15 古德曼曲线，870，轴向+弯曲度，107个循环 图 16 古德曼曲线，980，轴向+弯曲度，107个循环 图 17 古德曼曲线，760，轴向+轴向，107个循环 图 18 古德曼曲线，870，轴向+轴向，107个循环 图 19 古德曼曲线，980，轴向+轴向，107个循环 SR-605、SR-731 Sherwood耐火材料部 DS-1 DS-4 Misco陶瓷产品部 陶瓷芯体构型包含两种：早期的M90陶瓷芯体构型和后期引进 的M34陶瓷芯体构型；这些构型将被用在任务IV，V和VI中的叶片 上。 用一个表面为氧化铝和基体为莫来石的模子做出9个不同陶瓷芯 体的CF6-50叶片铸件。在指定的温度条件下，只有用SR-731铸造的 陶瓷芯体能够满足机械强度要求。如果铸件的强度不够将引起陶瓷 芯体的应变和壁厚难以控制。图20显示的是用DS-1铸造的陶瓷芯体 叶身截面和用SR-731铸造的陶瓷芯体叶身截面的对比。芯体与Rene 150合金之间的反应可以忽略不计。 图21表示的是一个典型的金属/陶瓷芯体的分界面。金属渗透是 不规则的且渗透深度大约只有5.1m左右。一般情况下在分界面会出 现一层薄氧化层。如图所示，没有明显的合金消耗。在金属/陶瓷芯 体的分界面上，合金的微观结构是一致的。根据以上分析，SR-731 被选作该项目的陶瓷芯体材料。 4.2.2 模子的选择 测试包含四种不同的模子/涂层组合。 莫来石/氧化铝涂层 莫来石/锆石涂层 莫来石/二氧化硅涂层 氧化铝/氧化铝涂层 用M34芯体构型和SR-731芯体材料生产出11件CF6-50叶片铸件。 通过对所有铸件进行外观检查表明：二氧化硅涂层和基体/涂层都是 氧化铝是不可取的。二氧化硅涂层在铸造温度下会出现凹陷，对铸 件表面产生不利影响。在插入铸造炉中时，氧化铝基体会由于其本 身抗热冲击性差的特性而出现裂纹。 用莫来石/锆石涂层和莫来石/二氧化硅涂层制成的铸件表现出优 良的表面特性。通过对所有模子/芯体的组合的金相分析表明在Rene 150合金和陶瓷之间有可能会发生反应。 图 20 用两种备选芯材做成的叶身其横断面的内壁厚度控制 图 21 CF6-50 涡轮叶片中 Rene 150 合金和 SR-731 陶瓷芯体的交界 面 对所有模子材料的评估结果是：铸件表面均相对平滑，很少或 几乎不与Rene 150合金发生反应。从金属/模子反应的角度来看：所 有的基体和涂层材料的组合都是可以接受的。 根据以上结果，并主要从机械强度方面考虑，SR-731芯体材料、 锆石、氧化铝涂层和莫来石基体被选中并作进一步的研究。可以看 出，Rene 150与很多模子和芯体材料具备化学兼容性。 4.3 初步铸造试验 用SR-731芯体材料、氧化铝涂层、莫来石基体系统，对铸造过程 的进行细化研究。初始过程参数要被充分定义，以确保运用早期的 CF6-50 M90设计工具可以生产出符合要求的Rene 150铸件。这套工 具的设计最初被用作普通铸造，经过改进后被用作定向凝固。 第一批模子是用新的蜡模和初始过程参数，并用早期的工具生产 出可接受的铸件。对蜡模进行机加工是为了使生产出铸造叶片的生 根区域内达到要求的规格。共生产了32件Rene 150 CF6-50 M34叶片。 所有叶片在生根区域均出现不同程度的裂纹。对RAM-DS工具中的 温度和时间等过程变量进行修订仍不能消除裂纹。 为了做进一步的检查，又铸造了9件CF6-50，M34叶片以研究 RAM-DS过程。9件叶片均出现与Rene 150叶片相似的裂纹。同时， 还铸造了4件GE23叶片并采用与Rene 150相同的方式在高温下检测其 铸造性能，用相同的评估程序下未发现裂纹。 因此，导致裂纹的主要原因是：在冷却过程中模子对叶片生根区 域金属的约束造成的。大多数变形均与晶界裂纹有关，如图22所示。 有必要对工具或模子进行改进。 共选取了两种方法作进一步的评估以消除裂纹。第一种方法是对 陶瓷模子进行改进：将尼龙垫密封在模子里并在随后的烧制过程中 将其气化。最终制成的模子会在生根区域形成空腔。这样做的预期 结果是会改变模子壳体的强度和热传导性，从而减少裂纹的产生。 图 22 CF6-50 的 Rene 150 铸造叶片生根区域的横截面显示出大量 的变形和晶界裂纹 总共铸造了21种该种结构的模子。这次尝试的结果是鼓舞人心的： 只有不到20%的叶片通过荧光检查发现有裂纹产生。为了使结果更 加确定并证明这一修改的有效性，接下来又生产了30件叶片。但结 果令人失望，超过75%的铸件出现裂纹。显而易见，要形成可行性 铸造过程，还需要对铸造过程做大量的适应性改进。 第二种途径是通过增大生根部位金属厚度的方法对叶片的蜡模进 行改进。这种方法预期的结果是通过增大该部位的承载强度以减少 或消除产生裂纹的趋势。所生产出的蜡模衬垫允许叶片蜡模按下列 结构进行生产： 1. 净成型叶身和生根。 2. 在生根两侧的袋状区域，净成型叶身有0.81 mm厚的衬垫。 3. 在生根两侧的袋状区域，净成型叶身有3.18 mm厚的衬垫。 上面所提到的衬垫的位置如图23所示。所铸造的试制叶片涉及 每一个结构。为适应所增加的0.81 mm或3.18 mm厚的衬垫所引起的 模子横截面的增加，横截面的动态冷淬、静态冷淬和辐射挡板都要 做适应性增强。由于叶片结构改变会带来叶片体积的增加，这就需 要在熔化杯中补充加料，从而导致熔炉的高度需增加1.27 cm。 铸造这些试制件的结果是：增加0.81 mm厚衬垫的模子出现生根 裂纹，但增加3.18 mm厚衬垫的模子没有出现生根裂纹。为了使试验 结果更加确信，又生产了27件铸件，这些铸件的模子均在生根两侧 增加3.18 mm厚的衬垫。头7个铸造件采用不同的熔炉参数进行铸造， 为的是建立该结构的铸造过程。接下来的20件采用头7件固化下来的 熔炉参数进行铸造。通过荧光渗透检查，这20件均未出现裂纹。 基于以上结果，该方法被选作用于该项目剩余铸造件的生产， 一个初步的铸造方案就此形成。 叶片生根上的附加材料是在随后的叶片最终加工即恢复叶片到 预想结构的操作中，用莱尔精密工具电解加工去除（俄亥俄州辛辛 那提市）。 图 23 衬垫所处的位置是为了防止生根裂纹 5.0 任务III涂层适应性及评估 该项目选用电镀NiCrAlHf涂层的工艺来研究CF6-50的Rene 150叶 片的外部涂层。 根据CF6-50发动机的工况，可用作Rene 150叶片涂层的一系列最 低要求被确定并总结在表格VIII中。作为备选的NiCrAlHf电镀涂层， 需满足以下关键特性： 厚度 1150的抗氧化特性 925的耐腐蚀特性 DBTT（韧脆转变温度） 980的应力断裂特性 涂层去除和恢复特性 从备选的涂层中选择一种可以充分满足标准的涂层。所选涂层 包含铬、镍的三层电镀层，最后一层是添加了铪和铝包覆性渗层。 所选NiCrAlHf电镀涂层的微观结构如图24所示， Ni、Cr、Al和Hf等 具有成分梯度的特征。初始试验选择NiCrAlHf电镀涂层。 5.1 涂层适应性 要使所选的NiCrAlHf电镀涂层适应CF6-50的Rene 150高压涡轮叶 片，需要开展以下六项工作： 多叶片电镀夹具的设计及制造 多叶片包覆性渗铝包装箱的设计及制造 Rene 150叶片内部铝化合物的评估 Rene 150叶片的NiCrAlHf涂层制备 涂层去除与恢复能力开发 带涂层叶片的气流评估 表格VIII CF6-50的NiCrAlHf电镀涂层的标准 第一节 涡轮叶片 除满足要求外，在发动机试车前，电镀涂层还需满足以下标准： 1. 叶片表面涂层厚度：（63.5114.3）m 2. 内部厚度（在交叉孔处）：6.35m 3. 在760的条件下，模拟叶片内部含铪的铝化合物涂层的试样 的低周疲劳性能，相对于没有涂层的Rene 150，其疲劳强度 降低不超过30%。 4. 当叶尖扰度CF6-50叶片在规定的等级内，在进行完热疲劳试 验后做500倍的金相检查，其内部涂层不能出现裂纹。 5. 外部涂层耐氧化特性：在马赫数为0.05，温度为1095的条件 下进行500小时的氧化测试，每小时循环6次，涂层不能出现 穿透性损伤。 6. 外部涂层的耐腐蚀特性：在温度为930的条件下进行250小 时含百万分之五的盐的盐雾试验，每小时循环1次，涂层不能 出现穿透性损伤。 7. 通过CF6-50的叶片冷却空气流量测试。 8. 带涂层的叶片在985下的LCF和SPLCF性能以及在760和 870条件下的HCF必须满足Rene 80的特性要求。 9. 在排气边进行燃气冲击试验，要求是在（1055315）范围 内，1000个循环周期内不得出现裂纹。 10.DBTT必须低于Rene 80。 11. 涂层试样的应力断裂测试必须满足在980的条件下，其强 度值不能小于没有涂层的Rene 150的最小值。 12. 对于涂层应用超出了MATE 2计划的发动机试车范围，以上 标准是不充分的。在下一步的发动机测试中，需满足其他附 加标准。 图 24 从带 NiCrAlHf 涂层的 CF6-50 叶片选择的 Rene 150 试样的 成分分析和典型微观结构 5.1.1 多叶片电镀夹具 最初两个单独的叶片电镀夹具的制作，如图25所示，是为了在 叶片上形成均匀的电镀厚度。实际使用时对夹具进行的改进需保证 镀层厚度在可接受的20%范围内，如图26和图27所示。然而，该项 目接下来要求电镀超过200片的叶片，从经济角度考虑，一些叶片需 同时进行电镀。之前对其他叶身结构的电镀已证实：可以同时对多 个叶片进行电镀。在这个背景下，并考虑CF6-50叶片的尺寸，设计 并制造出可以装夹四个叶片的工装，它由三部分组成： 1、底座（图28） 2、用于固定涡轮叶片的聚酯树脂夹块（图29） 3、叶身周围的钛合金夹具（工装阳极）。 运用这种工装做了两次验证电镀试验，这两种试样将用于评估 电镀均匀性和其金相特征的可接受性。涂层厚度的测量，如表IX所 示，可以看出该工装四个位置的叶片的电镀效果至少等同于装夹单 个叶片的工装的电镀效果。这种厚度是可接受的，工装也被认为是 合格的。电镀涂层的厚度用于计算Ni/Cr的比例，如表格X所示，可 帮助识别出涂层成分的变化。第二套工装可用于装配需要。 5.1.2 多叶片包覆性渗层加工箱 与多叶片电镀工装的需求相似，包覆性渗层是在合理的时间和 成本控制基础上在对叶片进行涂覆。总共制作了3个箱子，每个可以 容纳20个叶片。这些箱子、曲颈瓶以及试制炉所具备的加速速率、 温度分布等特性，这些都是包覆性渗层的加工关键参数。因为这些 Rene 150叶片均在试制设备中进行涂覆，所有的试样（氧化和腐蚀 试样、棒材的HCF、LCF等）均在这些设备中进行涂覆，可以避免 因设备不同而造成的微小差别。为评估多叶片曲颈瓶和试制炉的适 合性，在叶片上进行了四次涂层试验，并进行评估。扫描电镜和相 应的微区成分分析如图30所示，表明涂层可接受。可接受涂层的关 键特征是：铬和铪分布于整个涂层、铝渗透超过铬层、很小程度的 基体孔隙。 图 25 用于在对高压涡轮叶片电镀 NiCrAlHf 的过程中控制镍层和 铬层厚度的工装 图26 镀镍层厚度相对于标准厚度的偏离量 图27 镀铬层厚度相对于标准厚度的偏离量 图 28 多叶片电镀工装的底座图 图 29 上图：用于固定涡轮叶片的聚酯树脂夹块 下图：取出叶片时的夹块分离图 表 IX 涂层厚度测量值 表 X 用多叶片电镀工装进行电镀后 Ni/Cr 的比例 图30 涡轮叶片Rene 150进气边的NiCrAlHf涂层的扫描电镜及相应 的微区成分分析 图 31 带 NiCrAlHf 涂层并经全热处理的 Rene 150 涡轮叶片的 X 射线元素分布图 元素分布如图 31，表明了经过热处理的带涂层的 Rene150 涡轮 叶片进气边切下试样的涂层特征符合要求。硬度如图 32，表明涂层 中位于铬层下面有一层 镍层。这比外层的 +和基体更有延展性。 在四个 Rene 150 转子叶片进行了最后的涂层试验，证明了涂层 制备的稳定性。涂层的形貌和厚度与之前其他叶片和试样相似。 图 32 带 NiCrAlHf 涂层的 RENE 150 的硬度图谱显示了塑性的内镍 层（C 点） 5.1.3 Rene 150 内部铝化层的特征 最初的计划是修改包覆渗层工艺以保护涡轮转子叶片的内部免 于渗铝，通过氢气填充内部叶片通道，阻止铝蒸汽进入冷却孔。 改进一种新型的涂层箱并进行测试，但结果表明通过单腔的氢 流率必须调节。尽管氢流动速率能控制，但系统同时考虑对多叶片 涂层箱中的80个叶片涂层的流量控制是不现实的。另外一种方法是 如传统方式一样允许气冷式叶片内部发生铝化反应。如表VIII所述， 叶片内部的LCF要求，保守估计小于760 (1400 F)时RENE150的 LCF强度的30%。该需求通过对叶片内部的应力分布计算进行评估。 基于传统铝化物涂层，带涂层的Rene 150的LCF性能期望是超过其在 760(1400 F)时的要求。为确定内部实际铝化物的精确量，为本项 目生产了一个带有冷却通道结构的CF6-50叶片试验件。 一个Rene 80 CF6-50 HPT 叶片进气边中排和气膜冷却孔完全焊 接封闭。对叶片进行电镀、渗铪/铝，并沿交叉孔的长度方向进行切 割。图33和34表明铝化物厚度与第一冷却腔和交叉孔相对一致。厚 度超过了预期值（外部铝化层22.9m和内部扩散层15.2m）。在内 部涂层中无铪出现，如图35所示。 图33 模拟RENE 150设计的带冷却孔构型的RENE 80叶片内部铝 化物涂层 图34 模拟RENE 150设计的带冷却孔构型的RENE 80叶片内部 铝化物涂层深度 图35 RENE 80叶片内部涂层的定量X射线分析 在这些叶片上，在相似的位置外部铝化涂层是20.3m（0.8mil） 厚度，和内部扩散层是12.7m（0.5mil）厚度。在内部涂层中无铪， 一些为了确定渗铝参数而应用于Rene 125 LCF试样的试验被证明因 为涂层过量扩散而失败。为确定这些参数，应预先对无涂层的Rene 150 LCF 试样进行测试。这些试样的金相检验表明了外部涂层的厚 度为25.4m（1.0 mil）和内部扩散层为22.9m（0.9mil）.剩余的 Rene 150 LCF试样使用相似的参数制备。基于金相检查，铝化物与 叶片上观察的一致。内层铝化物模拟研究的总结在表XI中。 表XI 内层铝化物模拟研究总结 在760(1400 0 F)的应变控制LCF测试这些涂层试样。LCF结果 在表XII中给出，与裸露Rene 150的对比如图36。LCF强度降低是由 于铝化物涂层制备未达到预期效果，范围约为从高应力水平的20% 到低应力水平的0%。对这些数据的分析表明此性能水平对于CF6-50 工厂试车是可接受的。 表 XII 对铝化物Rene 150低循环疲劳测试 纵向试样，760 (1400 F) 比率=0.95，Kt=1.0，20 cpm 交变应力 MPa (ksi) 裂纹发生的循环数失效的循环数(Nf) (Nf) 627 (91.0) 542 (78.6) 487 (70.7) 461 (66.9) 3100 5000 没发现 15000 3800 5300 13240* 15400 *试样超出需求的循环次数，没有失效 5.1.4 EA NiCrAlHf 涂层 Rene 150 转子叶片 此子任务的目的是证实在测试试样上使用的 NiCrAlHf 涂层可 应用于CF6-50转子叶片结构，并且质量相当。在此期间， Rene150 叶片可进行无冷却孔铸造。为得到初步评估，单叶片的一个电镀装 置改装为适用于大尺寸榫头的叶片铸件，其中包括了对基板的加工 和新阳极夹具的重新定位。在此修改夹具制备叶片涂层的金相评估 表明具有满足电镀厚度20%的可接受范围。 工艺改善的研究过程就是对电镀涂层的改进工艺进行评估。此 工艺包括消除了因“闪镍”在叶片表面形成的一个1m（0.04Mil） 镍层的影响，为后续镀铬提供更好的表面。与存在“闪镍”叶片相 比，金相检查显示，无“闪镍”铸造的Rene150叶片的气泡更少，基 体/电镀的界面更为清洁。涂层本身没有明显的差异。“闪镍”工艺 将从未来的电镀操作中删除。 最后的涂层试验是在四个Rene 150 叶片进行，其金相和厚度与 其他叶片和试样相比，都具有较好的稳定性。 5.1.5 涂层的去除与重新制备 在涂层制备三步工艺中的任何一步，均在试样上开发对涂层的 去除工艺，并测试成功。此工艺程序如表XIII所示。Ni/Cr涂层容易 去除，同时对基体金属没有任何有害影响。在热处理条件下，除了 扩散层外，涂层均可去除。涂层的完全去除过程包含两个步骤。扩 散区的一部分保留下来，但对基体金属无不利影响。涂层去除后并 成功进行了涂层恢复。 图36 铝化Rene 150 应变控制LCF 此工艺也在Rene 150叶片上进行了特定测试，以确保对叶片结构 无不利的影响。 当Rene150叶片涂层的厚度在可接受范围内时，使用该涂层去除 工艺可以很好地去除叶片涂层。此能力在利用多叶片电镀夹具电镀 的Rene 80叶片得到证实。叶片金相检查表明完全去除涂层且不会对 基体金属造成损伤。 表XIII 涂层剥离过程 电镀层去除过程 Cr 层 放入50v/ o 22的B HCL溶液中浸泡。 从室温升至38(100F） 浸泡到反应停止 用去离子水冲洗 Ni 层 浸入Enthone L-90溶液 从室温升至38(100F） 用去离子水冲洗 镍铬扩散层去除过程 水基溶液：FeCl3200g/L CuSO4150g/L 乙酸75mol/L 加热溶液到54(130F） 浸泡1520分钟 水冲洗 EA NiCrAlHf的去除过程（2步） 步骤1：外层-NiAl去除 水基溶液：25% HNO3 75% H3PO4 加热溶液到75(170F） 浸泡1520分钟 水冲洗 步骤2：富Al，-NiCr 外层和扩散层 水基溶液：200 g/L FeCl3 100 mol/L 加热溶液到54(130F） 浸泡零件55分钟 水冲洗 喷砂 5.1.6 带涂层叶片的气流特性 一个Rene 80 CF6-50叶片精加工后电镀NiCrAlHf涂层，并进行气 流测试。此项测试证明叶片的冷却气流稍低于工艺极限要求。金相 检查显示气膜冷却孔中的铝化物层使孔直径减少了接近 76m（3Mil），这比预想的要大的多。因此，Rene150叶片的气膜 冷却孔尺寸应增大以消除这一影响，确保有适当的冷却气流流经叶 片。 5.2 涂层评估 对电镀 NiCrAlHf 涂层的评估包含四个独立的内容：循环氧化、 循环腐蚀、冲蚀试样和Rene150涂层的机械性能。 5.2.1 循环